Привет студент

Инверторы с самовозбуждением (автогенераторы) относятся к числу простейших устройств преобразования энергии постоянного тока. Относительная простота технических решений при достаточно высокой энергетической эффективности привело к их широкому применению в маломощных источниках питания в системах промышленной автоматики и генерирования сигналов прямоугольной формы, особенно в тех приложениях, где отсутствует необходимость в управлении прoцессом передачи энергии. В этих инверторах используется положительная обратная связь, обеспечивающая их работу в режиме устойчивых автоколебаний.

Преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью группы ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки и обеспечить контролируемый режим циркуляции в цепи реактивной энергии. В таких режимах гарантируется пропорциональность выходного напряжения, например величины его первой гармоники (U₂₍₁₎), значениям напряжения постоянного тока на входе (Е), конструктивного параметра схемы (К) и фактора управления (F_y):

U_2{1)=EKF_y.

В зависимости от конструктивного исполнения: модуля переключения (модуля силовых ключей инвертора) и алгоритма формирования управляющих воздействий таким фактором могут быть относительная длительность импульсов управления ключами или фазовый сдвиг сигналов управления противофазных групп ключей.

В случае неконтролируемых режимов циркуляции реактивной энергии реакция потребителя с реактивными составляющими нагрузки влияет на форму напряжения и его величину. Поясним изложенное на примере ИН, модуль переключения М_s которого выполнен по мостовой схеме.

Инвертором напряжения (по зарубежной терминологии DC/АС converter) называют устройство, преобразующее электрическую энергию источника напряжения постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Инверторы напряжения (ИН) могут применяться в виде отдельного законченного устройства или входить в состав источников и систем бесперебойного питания аппаратуры электрической энергией переменного тока. Потребность в таких устройствах связана с широким внедрением в различных отраслях промышленности и бизнесе компьютерных технологий. При этом недостаточная надежность сетей переменного тока является основным источником нарушения технологического цикла производственных процессов и связана с большими экономическими рисками. По оценкам специалистов ущерб от «перебоя» электрической энергии в течение одного часа в таких сферах, как финансы (брокерские операции, продажа кредитных карточек), медиа-услуги, исчисляются сотнями тысяч долларов.

Инверторы напряжения позволяют устранить или по крайней мере ослабить зависимость работы информационных систем от качества сетей переменного тока. Например, в персональных компьютерах, информационных центрах на базе ПК при внезапном отказе сети с помощью резервной аккумуляторной батареи и инвертора можно обеспечить работу компьютеров для корректного завершения решаемых задач. В более сложных и ответственных системах инверторные устройства могут работать в длительном контролируемом режиме параллельно с сетью или независимо от неё.

Двухтактные преобразователи могут быть с самовозбуждением и с независимым возбуждением. В настоящее время в основном применяют преобразователи с независимым возбуждением, имеющие более высокий КПД. На практике применяют три основных схемы двухтактных преобразователей: с выводом нейтральной точки первичной обмотки трансформатора (со средней точкой), полумостовые и мостовые. Трансформатор, входящий в состав преобразователя имеет две идентичные первичные обмотки с числом витков W₁₁ = W₁₂ = W₁ и две идентичные вторичные обмотки с числом витков W₂₁ = W₂₂ = W₂.

Рассмотрим установившийся режим работы идеального преобразователя в случае безразрывных токов дросселя L при широтно-импульсном управлении транзисторами VT1 и VT2. При переводе СУ транзистора VT1 в режим насыщения к первичной обмотке W₁₁ трансформатора будет приложено напряжение источника энергии U₀.

В результате на зажимах вторичной обмотки W₂₁ появится ЭДС Е₂ с полярностью, обеспечивающей открытие диода VD1. При этом на интервале открытого состояния VT1 все остальные диоды и транзистор VТ2 будут закрыты.

Преобразователем напряжения (по зарубежной терминологии DC/DC converter) называют устройство, преобразующее электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию постоянного тока другого уровня напряжения или имеющую гальваническую развязку выходного напряжения от источника энергии. Преобразователи напряжения (ПН) могут применяться в виде отдельного законченного устройства или входить в состав источников и систем бесперебойного питания аппаратуры электрической энергией постоянного тока. ПН широко применяются в системах электропитания для стабилизации выходного напряжения электропитающих установок (ЭПУ) во всех режимах их работы (стабилизаторы постоянного напряжения — СПН, вольтодобавочные конверторы — КВ, КУВ). На базе ПН строятся современные выпрямительные (выпрямители с бестрансформаторным входом — ВБВ) и инверторные устройства, преобразующие электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Блоки питания электронных сигнально-вызывных устройств (СВУС-Э, СВУС-М) декадно-шаговых и координатных АТС также представляют собой преобразователи напряжения. Преобразователи современных цифровых систем передачи и обработки информации, преобразующие выходное напряжение ЭПУ в напряжения, необходимые для работы аппаратуры, тоже представляют собой преобразователи напряжения.

Качество выходного напряжения известных схем выпрямления не удовлетворяет требованиям, предъявляемым аппаратурой телекоммуникации и информатики по критерию пульсаций или допустимому уровню переменных составляющих. Для получения необходимого качества выпрямленного напряжения на выходе вентильного звена включают специальное звено, «сглаживающее» пульсации. Частными случаями сглаживания являются работа выпрямителя на емкостную или индуктивную нагрузку. Смысл эффекта сглаживания состоит в том, что величина постоянной составляющей на выходе сглаживающей цепи значительно больше, чем амплитуда переменной составляющей. В терминах электротехники это означает, что коэффициент передачи цепи подключенной к выходу схемы выпрямления по постоянному току значительно больше, чем по переменному току. В общем случае сглаживающее звено является фильтром нижних частот (ФНЧ). Задачей сглаживающего фильтра является передача с минимальными потерями постоянной составляющей его входного напряжения и ослабление переменных составляющих до приемлемого уровня. В отличие от сигнальных (слаботочных) фильтров, сглаживающие ФНЧ связаны с передачей электрической энергии, поэтому в технике электропитания получили распространение фильтры с относительно простой структурой.

В системах электропитания достаточно широкое применение находят так называемые каскадные (комбинированные) схемы: выпрямления, позволяющие обеспечить повышение частоты первой гармоники пульсации и тем самым уменьшить размеры сглаживающих фильтров. Каскадные схемы по существу представляют собой комбинацию нескольких классических схем выпрямления, включенных между собой по выходу параллельно или последовательно и работающих на общую нагрузку. Причем выходные напряжения этих классических схем сдвинуты друг относительно друга по фазе. Кроме того, применение каскадных схем позволяет в отдельных случаях уменьшить потери в вентильном комплекте по сравнению с классическими схемами.

Примером каскадной схемы может служить схема выпрямления, представленная на рис. 1, а (схема Кюблера). Эта схема выпрямления представляет собой два классических трехфазных однотактных выпрямителя, выходные напряжения которых u'₀₁ и u''₀₁ сдвинуты друг относительно друга на угол 2-π/6. Для того чтобы обеспечить этот сдвиг по фазе, вторичные обмотки трансформатора Т одного классического выпрямителя при соединении по схеме звезда С выведенной нейтралью объединяются между собой концами, тогда как для второго выпрямителя- началами. Нейтральные точки двух этих выпрямителей соединяются между собой, образуя отрицательный полюс выходного напряжения u₀₁ выпрямителя. В результате ЭДС фаз вторичных обмоток, расположенных на каждом из стержней магнитопровода, оказываются сдвинуты друг относительно друга на угол, равный π. Диаграмма ЭДС фаз вторичных обмоток приведена на рис. 1, в, на которой так же толстыми (сплошной и пунктирной) линиями показаны диаграммы напряжений u'₀₁ и u''₀₁.

Выпрямительным устройством (ВУ) называется статическое устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии переменного тока в. электрическую энергию постоянного тока. ВУ является одним из основных элементов любой системы бесперебойного электропитания аппаратуры телекоммуникаций и информационных сетей.

В качестве источника энергии u₁(t) в основном используется однофазная или трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты 50 Гц. ВУ преобразует знакопеременное напряжение источника энергии u₁(t) в напряжение постоянного тока u₀(t), содержащее, кроме полезного продукта преобразования — постоянной составляющей напряжения U₀, также переменную составляющую, называемую пульсацией u_п(t) = u₀(t) — U₀. Допустимый уровень пульсации на выходе ВУ и критерии (параметры) ее оценки определяются требованиями аппаратуры.

Выпрямительные устройства могут быть выполнены по традиционной схеме или по схеме с двойным преобразованием энергии. В состав такого ВУ входит низкочастотный силовой трансформатор Т, работающий на частоте Д = 50 Гц источника энергии, вентильный блок (диодный блок) ВБ и сглаживающий фильтр СФ.

Электрическим реактором (дросселем) называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи. Дроссели находят широкое применение в источниках электропитания, являясь неотъемлемой частью практически любого устройства преобразования энергии. Чаще всего дроссель представляет собой магнитопровод той или иной конфигурации, на котором размещается обмотка, включаемая в электрическую цепь последовательно с нагрузкой. Основными параметрами любого реактора являются, прежде всего, индуктивность L и номинальное значение тока I_ном его обмотки. Реакторы подразделяются на линейные, ограниченно-линейные и нелинейные. Линейный реактор должен иметь практически постоянную индуктивность, не зависящую от значения тока, протекающего по его обмотке. Из выражений и следует, что в линейном реакторе магнитное сопротивление для магнитного потока должно оставаться неизменным для любого тока, который может возникнуть в цепи, где установлен такой реактор. Магнитопроводы линейных реакторов могут выполняться из магнитодизлектриков, относительная магнитная проницаемость которых остается неизменной при напряженностях магнитного поля в несколько тысяч А/м. Магнито-диэлектрики имеют небольшую относительную магнитную проницаемость (от 60 до 250) и выпускаются виде в колец (тороидальные магнитопроводы) с внешним диаметром от 5 до 44 мм. Ввиду относительно небольших удельных потерь эти магнитопроводы применяются при частотах до 200 кГц. Для линейных реакторов могут применяться также разомкнутые магнитопроводы, выполненные из феррита или электротехнической стали. Так, серийно выпускаемые малогабаритные высокочастотные дроссели типа ДМ представляют собой ферритовый магнитопровод, выполненный в виде стержня цилиндрической формы, на котором размещается обмотка. Дроссели типа ДМ выпускаются на токи до 3 А и имеют индуктивность до 1 мкГн. В отдельных случаях линейные дроссели могут выполняться по конструктивным соображениям без магнитопровода. Например, дроссели высокочастотных вольтодобавочных конверторов на токи в десятки ампер представляют собой соленоиды, выполненные из медной или алюминиевой ленты.

Термин «комбинированные» подчеркивает особенности построения ключей из нескольких приборов с целью улучшения характеристик переключателей тока. Примером комбинированного ключа (КК) может служить рассмотренный выше составной транзистор. Техническая реализация КК может базироваться на схемных решениях или интегральных технологиях. Рассмотрим ряд примеров КК, используемых в технике электропитания.

Каскодный ключ. Как было отмечено выше, биполярные транзисторы подвержены вторичному пробою в режимах переключения. Опасность вторичного пробоя мощного высоковольтного биполярного транзистора возникает при его выключении в том случае, когда при некоторых токах нагрузки прибор оказывается в режиме перенасыщения. Признаками вторичного пробоя являются резкий спад напряжения коллектор-эмиттер, что обусловлено изменением полярности напряжения база-коллекторного перехода, или появление генерации высокочастотных колебаний в кривой напряжения база-эмиттер. Риск вторичного пробоя при выключении транзисторов может быть уменьшен при применении каскодных схем.

Высоковольтный транзистор VT1 по цепи управления получает постоянный ток I_у, достаточный для перемещения его рабочей точки в область насыщения. Низковольтный быстродействующий транзистор VT2 управляется импульсным напряжением, отпираясь на время действия импульсов и запираясь в паузе.